CN117718998A - 一种可测量末端振动状态的两连杆刚柔耦合型机械臂系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可测量末端振动状态的两连杆刚柔耦合型机械臂系统，涉及机械臂，包括刚性连杆组件；柔性连杆组件，其包括柔性连杆和应变片传感器；以及控制器，其连接应变片传感器，以获取柔性连杆末端的振动应变，并根据传递函数计算出柔性连杆末端的振动挠度，传递函数按照如下方式获得：S1、获取柔性连杆振动不同振动幅度下的振动应变和振动挠度；S2、建立传递函数模型S3、将振动应变作为输入、振动挠度作为输出，通过最小二乘法来识别传递函数模型的各个参数，获取传递函数。本发明的有益效果：控制器可根据柔性连杆末端实际振动挠度控制柔性连杆准确转动至目标位置，避免应变传感器因迟滞特性，无法准确控制，使柔性连杆的振动得到抑制。

Description

一种可测量末端振动状态的两连杆刚柔耦合型机械臂系统

技术领域

本发明涉及机械臂技术领域，尤其涉及一种可测量末端振动状态的两连杆刚柔耦合型机械臂系统。

背景技术

随着工业生产、航空航天等领域的不断发展，人们对工业机器人操作的安全性、精密性、灵活性、轻量型的要求不断提高，运用细长连杆结构的柔性机械臂显示出强大的优势。一方面，针对柔性机械臂的特性来专门研究柔性所致系统弹性振动的抑制方法，可以大大提高机械臂的控制精度；另一方面，柔性机械臂的柔性连杆一般采用刚度较小的材料设计，且为细长杆结构，这样的设计不仅增加了机械臂的灵活性、轻量型，还进一步扩大了机械臂的工作面积。此外，柔性软材料的应用也在一定程度上保障了人机交互的安全性。

然而，往往刚柔耦合型机械臂系统的杆长和负载质量是固定的，难以验证在不同杆长和负载情况下所设计控制器的有效性；刚柔耦合型机械臂中具有大量电源线和传感器导线，比如应变传感器的电源和信号线，电机的电源线和通讯线，在机械臂运动的过程中会出现绕线情况，如果发现不及时，很有可能导致导线断裂，影响机械臂系统的正常工作。此外，柔性杆的末端振动位移很难在机械臂运动时测量，一般是通过应变传感器来反映柔性杆振动情况，但是在实际测量中，应变片测量的振动状态与柔性杆末端位移不是呈一个简单的比例关系，会影响控制效果。

发明内容

有鉴于此，为了解决刚柔耦合型机械臂柔性连杆末端位移的准确监测、以及绕线问题，本发明的实施例提供了一种可测量末端振动状态的两连杆刚柔耦合型机械臂系统。

本发明的实施例提供一种可测量末端振动状态的两连杆刚柔耦合型机械臂系统，包括：

刚性连杆组件；

柔性连杆组件，其包括柔性连杆和应变片传感器，所述柔性连杆后端连接所述刚性连杆组件，所述应变片传感器设置于所述柔性连杆的后端；

以及控制器，其连接所述应变片传感器，以获取所述柔性连杆的振动应变，根据振动应变和振动挠度的传递函数计算出所述柔性连杆末端的振动挠度，其中所述传递函数按照如下方式获得：

S1、获取所述柔性连杆振动不同振动幅度下的振动应变和振动挠度；

S2、建立振动应变和振动挠度的传递函数模型：

其中a₁,a₂,a₃为传递函数模型的参数；

S3、将振动应变作为输入、振动挠度作为输出，通过最小二乘法来识别传递函数模型的各个参数，从而获取所述柔性连杆的振动应变和振动挠度的传递函数。

进一步地，所述步骤S1中，控制所述柔性连杆以不同的初始末端挠度开始振动，获得对应的振动应变和振动挠度。

进一步地，所述柔性连杆组件还包括第一驱动电机和夹持块，所述第一驱动电机固定于所述刚性连杆组件的前端，所述第一驱动电机中空设置，所述夹持块固定于所述第一驱动电机上部，所述柔性连杆后端被所述夹持块夹紧固定，所述夹持块上位于所述应变片传感器的后方设有穿孔，所述应变片传感器的导线穿过所述穿孔，并沿着所述第一驱动电机中部向下延伸进入所述刚性连杆组件。

进一步地，所述应变片传感器包括应变片、以及与所述应变片连接的电路模块，所述夹持块包括固定盘、以及设置于所述固定盘前侧的夹持板，所述夹持板夹紧所述柔性连杆的后端，所述应变片粘接固定于所述柔性连杆的后端，所述电路模块固定于所述夹持板表面。

进一步地，所述刚性连杆组件包括刚性连杆，所述第一驱动电机固定于所述刚性连杆的前端，所述刚性连杆设有进线槽，所述应变片传感器的导线和所述第一驱动电机的导线由所述进线槽进入所述刚性连杆内。

进一步地，所述刚性连杆包括碳纤维板和刚性铝板，所述碳纤维板设置于所述刚性铝板的上方，且所述碳纤维板和所述刚性铝板之间中空设置。

进一步地，所述进线槽设置于所述炭纤维板上，所述应变片传感器的导线和所述第一驱动电机的导线由所述进线槽进入所述炭纤维板和所述刚性铝板之间。

进一步地，所述刚性连杆组件包括第二驱动电机，所述刚性连杆后端连接所述第二驱动电机。

进一步地，所述刚性连杆组件包括电机基座，所述第二驱动电机安装于所述电机基座上。

进一步地，所述控制器分别连接所述第一驱动电机和所述第二驱动电机，以控制所述第一驱动电机和所述第二驱动电机转动。

本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

1、本发明的一种可测量末端振动状态的两连杆刚柔耦合型机械臂系统，通过柔性连杆后端的应变片传感器监测柔性连杆的振动应变，并根据振动应变和振动挠度的传递函数可计算出柔性连杆末端的振动挠度，从而得到柔性连杆末端实际振动挠度，控制器可根据柔性连杆末端实际振动挠度控制柔性连杆准确转动至目标位置，避免应变传感器因迟滞特性，无法准确控制，使柔性连杆的振动得到抑制。控制器能根据两个电机的实时角度状态反馈和柔性杆实时振动挠度反馈来使两个连杆转动至目标位置并使柔性连杆末端振动挠度趋向于0，即振动得到抑制，克服了应变传感器的迟滞特性，提升控制器的控制性能。

2、本发明的一种可测量末端振动状态的两连杆刚柔耦合型机械臂系统，通过在柔性连杆的夹持块上设置穿孔，并在刚性连杆上设置进线槽，将应变片传感器的导线布置于第一驱动电机内部，并将应变片传感器的导线和第一驱动电机的导线沿着刚性连杆内部布线，具有良好的防绕效果，能使柔性连杆和刚性连杆能旋转360度，大大增加了机械臂的活动范围。

附图说明

图1是本发明一种可测量末端振动状态的两连杆刚柔耦合型机械臂系统的示意图；

图2是本发明一种可测量末端振动状态的两连杆刚柔耦合型机械臂系统的爆炸图；

图3是刚性连杆组件的示意图；

图4是刚性连杆的爆炸图；

图5是夹持块的示意图；

图6是柔性连杆组件的示意图；

图7本实施例中控制柔性连杆以不同的初始末端挠度开始振动的振动挠度图；

图8本实施例中控制柔性连杆以不同的初始末端挠度开始振动的振动应变图；

图9是实施例中控制柔性连杆以不同的初始末端挠度开始振动的振动挠度和振动应变关系图；

图10是最小二乘拟合结果图；

图11是对传递函数有效性验证结果图。

图中：1、刚性连杆组件；101、刚性连杆；102、第二驱动电机；103、电机基座；104、进线槽；105、底座；106、碳纤维板；107、刚性铝板；2、柔性连杆组件；201、柔性连杆；202、第一驱动电机；203、夹持块；204、应变片；205、电路模块；206、负载；207、固定盘；208、夹持板；209、夹槽；210、穿孔。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步的描述。下面介绍的是本发明的多个可能实施例中的较优的一个，旨在提供对本发明的基本了解，但并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。

在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。

进一步需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参考图1和2，本发明的实施例提供了一种可测量末端振动状态的两连杆刚柔耦合型机械臂系统，包括刚性连杆组件1、柔性连杆组件2以及控制器。

其中，如图3所示，所述刚性连杆组件1为受电机驱动的杆件，如本实施例中，所述刚性连杆组件1主要包括刚性连杆101、第二驱动电机102和电机基座103。所述电机基座103固定于一底座105上，所述第二驱动电机102通过螺栓安装于所述电机基座103上，所述第二驱动电机102连接所述刚性连杆101后端，以驱动所述刚性连杆101转动。

再结合图4所示，所述刚性连杆101为长圆形，具体包括上层的炭纤维板106和下层的刚性铝板107，所述碳纤维板106和所述刚性铝板107的形状近似相同，所述碳纤维板106设置于所述刚性铝板107的上方，所述炭纤维板106和所述刚性铝板107之间通过多个螺栓紧固连接。且所述碳纤维板106和所述刚性铝板107之间中空设置，形成布线空间。

所述柔性连杆组件2与所述刚性连杆101的前端连接。具体的，所述柔性连杆组件2还包括第一驱动电机202和夹持块203，所述第一驱动电机202固定于所述刚性连杆组件1的前端，具体通过螺栓固定所述碳纤维板106的前端上表面。所述第一驱动电机202中空设置，所述夹持块203固定于所述第一驱动电机202上部，所述夹持块203与所述第一驱动电机202上部之间通过螺栓紧固连接。

所述柔性连杆组件2，还包括柔性连杆201和应变片204传感器，所述柔性连杆201后端连接所述刚性连杆组件1，所述应变片204传感器设置于所述柔性连杆201的后端。

所述应变片204传感器包括应变片204、以及与所述应变片204连接的电路模块205，所述应变片204与所述电路模块205连接，所述电路模块205采集所述应变片204的应变。如图5所示，所述夹持块203包括固定盘207、以及设置于所述固定盘207前侧的夹持板208，所述固定盘207的中部中空设置，所述固定盘207支撑于所述第一驱动电机202的上部并与所述第一驱动电机202上部通过螺栓紧固连接。

如图6所示，所述夹持板208的前端设有夹槽209，所述柔性连杆201的后端插入所述夹槽209内并通过螺栓锁紧，如此所述夹持板208夹紧所述柔性连杆201的后端。这里所述柔性连杆201的前端还通过螺栓连接不同的负载206，因此可以根据不同的实验要求来进行更换不同长度的柔性连杆201和不同质量的负载206。

所述应变片204粘接固定于所述柔性连杆201的后端表面，所述电路模块205一般为电路板，所述电路模块205贴合于所述夹持板208表面并通过螺栓紧固固定。所述应变片204传感器的导线由所述电路模块205的后端引出。

为了避免在所述柔性连杆201转动过程中，所述应变片204传感器的导线发生缠绕，所述夹持块203上位于所述应变片204传感器的后方设有穿孔210，即所述固定盘207的前侧设有贯穿的穿孔210。所述应变片204传感器的导线穿过所述穿孔210，延伸至所述固定盘207中部和所述第一驱动电机202中部，并沿着所述第一驱动电机202中部向下延伸进入所述刚性连杆组件1。

此外，所述刚性连杆101设有进线槽104，所述进线槽为矩形槽，所述进线槽104设置于所述碳纤维板106上。所述应变片204传感器的导线和所述第一驱动电机202的导线由所述进线槽104进入所述刚性连杆101内，即由所述进线槽104进入所述碳纤维板106和所述刚性铝板107之间，再由所述刚性连杆101的后端引出。所述第一驱动电机202的导线一般为电源线和控制线。

所述控制器连接所述应变片204传感器，以获取所述柔性连杆201末端的振动应变，并根据振动应变和振动挠度的传递函数计算出所述柔性连杆201末端的振动挠度，其中所述传递函数按照如下方式获得：

S1、获取所述柔性连杆201振动不同振动幅度下的振动应变和振动挠度。这里可以控制所述柔性连杆201以不同的初始末端挠度开始振动，获得对应的振动应变和振动挠度。如图7-9所示，本实施例中，将所述柔性连杆201的初始末端挠度设置为25mm，20mm，10mm，让柔性杆自由振动直至停止，分别采集多组振动应变和振动挠度数据。其中振动应变可以通过所述应变片204传感器采集获得，所述振动挠度可以通过激光传感器测量获得。

S2、建立振动应变和振动挠度的传递函数模型：

其中a₁,a₂,a₃为传递函数模型的参数；

S3、将振动应变作为输入、振动挠度作为输出，通过最小二乘法来识别传递函数模型的各个参数，从而获取所述柔性连杆201的振动应变和振动挠度的传递函数。如图10所示，本实施例中参数＝-276.32，＝5.86，＝-0.023，拟合度为96.58％。

为了验证该传递函数的有效性，可以选择获得的振动应变和振动挠度数据对该传递函数进行验证。

为了验证模型的有效性，通过拟合度公式：

其中q为采样点的总数，ω_k为第k个采样点的末端振动挠度，为在第k个采样点的模型输出，/>为ω_k的平均值。

如图11所示，本实施例中将初始末端挠度为15mm的数据作为验证，将振动应变作为输入，经过该传递函数后，得到的输出与振动末端状态的拟合度为96.26％，可以很好的说明通过该传递函数可以有效的将应变传感器测得的振动应变转化为末端振动挠度。

所述控制器分别连接所述第一驱动电机202和所述第二驱动电机102，以控制所述第一驱动电机202和所述第二驱动电机102转动。所述控制器由所述应变片204传感器监测柔性连杆201的振动应变，并根据传递函数计算出柔性连杆201末端的振动挠度，从而根据柔性连杆201末端实际振动挠度控制所述第一驱动电机202和所述第二驱动电机102转动，使所述柔性连杆201和所述刚性连杆101转动，进而使柔性连杆201末端准确转动至目标位置。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解的是，它们是相对的概念，可以根据使用、放置的不同方式而相应地变化，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可测量末端振动状态的两连杆刚柔耦合型机械臂系统，其特征在于，包括：

刚性连杆组件；

柔性连杆组件，其包括柔性连杆和应变片传感器，所述柔性连杆后端连接所述刚性连杆组件，所述应变片传感器设置于所述柔性连杆的后端；

以及控制器，其连接所述应变片传感器，以获取所述柔性连杆的振动应变，根据振动应变和振动挠度的传递函数计算出所述柔性连杆末端的振动挠度，其中所述传递函数按照如下方式获得：

S1、获取所述柔性连杆振动不同振动幅度下的振动应变和振动挠度；

S2、建立振动应变和振动挠度的传递函数模型：

其中a₁,a₂,a₃为传递函数模型的参数；

S3、将振动应变作为输入、振动挠度作为输出，通过最小二乘法来识别传递函数模型的各个参数，从而获取所述柔性连杆的振动应变和振动挠度的传递函数。

2.如权利要求1所述的一种可测量末端振动状态的两连杆刚柔耦合型机械臂系统，其特征在于：所述步骤S1中，控制所述柔性连杆以不同的初始末端挠度开始振动，获得对应的振动应变和振动挠度。

3.如权利要求1所述的一种可测量末端振动状态的两连杆刚柔耦合型机械臂系统，其特征在于：所述柔性连杆组件还包括第一驱动电机和夹持块，所述第一驱动电机固定于所述刚性连杆组件的前端，所述第一驱动电机中空设置，所述夹持块固定于所述第一驱动电机上部，所述柔性连杆后端被所述夹持块夹紧固定，所述夹持块上位于所述应变片传感器的后方设有穿孔，所述应变片传感器的导线穿过所述穿孔，并沿着所述第一驱动电机中部向下延伸进入所述刚性连杆组件。

4.如权利要求3所述的一种可测量末端振动状态的两连杆刚柔耦合型机械臂系统，其特征在于：所述应变片传感器包括应变片、以及与所述应变片连接的电路模块，所述夹持块包括固定盘、以及设置于所述固定盘前侧的夹持板，所述夹持板夹紧所述柔性连杆的后端，所述应变片粘接固定于所述柔性连杆的后端，所述电路模块固定于所述夹持板表面。

5.如权利要求4所述的一种可测量末端振动状态的两连杆刚柔耦合型机械臂系统，其特征在于：所述刚性连杆组件包括刚性连杆，所述第一驱动电机固定于所述刚性连杆的前端，所述刚性连杆设有进线槽，所述应变片传感器的导线和所述第一驱动电机的导线由所述进线槽进入所述刚性连杆内。

6.如权利要求5所述的一种可测量末端振动状态的两连杆刚柔耦合型机械臂系统，其特征在于：所述刚性连杆包括碳纤维板和刚性铝板，所述碳纤维板设置于所述刚性铝板的上方，且所述碳纤维板和所述刚性铝板之间中空设置。

7.如权利要求6所述的一种可测量末端振动状态的两连杆刚柔耦合型机械臂系统，其特征在于：所述进线槽设置于所述炭纤维板上，所述应变片传感器的导线和所述第一驱动电机的导线由所述进线槽进入所述碳纤维板和所述刚性铝板之间。

8.如权利要求5所述的一种可测量末端振动状态的两连杆刚柔耦合型机械臂系统，其特征在于：所述刚性连杆组件包括第二驱动电机，所述刚性连杆后端连接所述第二驱动电机。

9.如权利要求8所述的一种可测量末端振动状态的两连杆刚柔耦合型机械臂系统，其特征在于：所述刚性连杆组件包括电机基座，所述第二驱动电机安装于所述电机基座上。

10.如权利要求9所述的一种可测量末端振动状态的两连杆刚柔耦合型机械臂系统，其特征在于：所述控制器分别连接所述第一驱动电机和所述第二驱动电机，以控制所述第一驱动电机和所述第二驱动电机转动。